新工科背景下土木工程材料課程教學(xué)方法探索與實踐

謝娟 陽月明 張永寧

摘? 要：該文針對新工科提出的應(yīng)該積極應(yīng)對變化、引領(lǐng)創(chuàng)新、探索不斷變化背景下的工程教育新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，培養(yǎng)能夠適應(yīng)時代和未來變化的卓越工程人才，分析《土木工程材料》課程特點及目前教學(xué)過程中存在的不足，圍繞教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)形式以及考核方式等進行探索與實踐，構(gòu)建了新的教學(xué)方法和教學(xué)體系，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新工科? 土木工程材料? 教學(xué)改革

中圖分類號：G642 ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0117-03

新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑， 培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。從某種意義上說， 新工科反映了未來工程教育的形態(tài)，是與時俱進的創(chuàng)新型工程教育方案， 需要新的建設(shè)途徑。新工科的關(guān)鍵任務(wù)之一便是學(xué)與教，即重構(gòu)人才知識體系，重塑人才培養(yǎng)質(zhì)量觀。加快制定適應(yīng)工科學(xué)生終身發(fā)展和社會需要的核心素養(yǎng)體系和學(xué)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系， 完善學(xué)生、老師等共同參與的“以學(xué)生為中心”學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量持續(xù)改進體系，完善從學(xué)習(xí)目標(biāo)—培養(yǎng)目標(biāo)—培養(yǎng)方案—課程大綱—評價分析—課程品質(zhì)報告—改進方案實施-學(xué)習(xí)目標(biāo)的閉環(huán)質(zhì)量持續(xù)改進體系。

土木工程材料是一門開設(shè)面較廣的課程，專業(yè)涉及土木工程、交通工程、建筑設(shè)計、工程管理、港行水利等，授課對象包括本科生和研究生[1]。課程主要介紹土木工程中大量應(yīng)用的工程材料的概念、基礎(chǔ)理論、基本性能以及在實際工程中的應(yīng)用特點等。教學(xué)目的是通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)會根據(jù)工程特點合理選擇和正確使用材料，并為其他專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供相關(guān)的材料基礎(chǔ)知識。由于該課程兼具廣泛性和重要性，因此教育工作者們一直致力于課程教學(xué)研究，尋求更加合理有效的教學(xué)方法。王宇輝對土木工程本科專業(yè)的土木工程材料課程做了教學(xué)改革，在理論教學(xué)、課后作業(yè)、實踐教學(xué)和課程考核等方面做了探索，收到了較好的教學(xué)效果[2]。劉秀偉等將C D IO工程教育理念引進到《土木工程材料》課程的教學(xué)中，經(jīng)過C D IO課程定位、教學(xué)目標(biāo)確定、教學(xué)大綱構(gòu)建、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與實施過程，教學(xué)效果明顯提高[3]。筆者根據(jù)新工科背景下對人才培養(yǎng)的要求，分析總結(jié)了土木工程材料的課程特點以及目前教學(xué)中存在的問題，摸索出了新的教學(xué)方法，并取得良好成效。

1? 土木工程材料的課程特點

1.1 課程內(nèi)容繁多，涉及知識面廣

該課程包括無機膠凝材料、砌筑材料、金屬材料、瀝青等與土木工程相關(guān)的十多個大類、上百種材料，各章節(jié)相對獨立，缺乏邏輯性和關(guān)聯(lián)性，涉及的文字性概念和術(shù)語多，知識點比較分散，導(dǎo)致學(xué)生在課堂上一聽就懂，但是不易系統(tǒng)地掌握課程知識。

1.2 學(xué)科交叉大，內(nèi)容層次不清晰

筆者所在的長沙理工大學(xué)土木工程材料課程面向交通運輸學(xué)院、土木工程學(xué)院以及水利工程學(xué)院的本科生和研究生授課。教學(xué)內(nèi)容涉及材料科學(xué)、建筑科學(xué)等多個學(xué)科，如水泥部分涉及大量化學(xué)知識，鋼材部分涉及理論力學(xué)相關(guān)知識，大綱要求同學(xué)們通過課程學(xué)習(xí)能夠應(yīng)用土木工程材料科學(xué)的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題。但是課程沒有分專業(yè)來設(shè)置重點和難點，主次不分明。

1.3 課程理論性強，實踐性強

土木工程材料都是實際存在、能夠直觀感受的，而課程內(nèi)容主要以文字性敘述為主，許多概念講起來較為復(fù)雜。比如水泥的水化、凝結(jié)硬化部分，是整個課程中比較重要的一個知識點，這個過程對水泥混凝土的性能和使用起決定性作用，由于涉及到很多化學(xué)反應(yīng)，理論性較強。同時，課程又涉及到如水泥力學(xué)性能、瀝青混合料高低溫性能以及馬歇爾穩(wěn)定度的試驗，實踐性較強。因此需要教師有很強的工程背景，能夠結(jié)合工程實際，使同學(xué)們對材料性能與實際應(yīng)用之間的聯(lián)系有比較直觀的認識，熟悉工程實踐操作的基本規(guī)范，掌握試驗的基本技能，能夠解決選材、檢驗、驗收及儲存等施工現(xiàn)場遇到的常見問題。

2? 課程教學(xué)中存在的主要問題

2.1 教學(xué)手段單一，內(nèi)容枯燥

土木工程材料內(nèi)容較多， 包括了無機非金屬材料、金屬材料 、有機高分子材料，并且有很多需要記憶的概念和理論知識，采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難達到好的教學(xué)效果。筆者近幾年就土木工程材料課程進行了大量的課堂調(diào)研，發(fā)現(xiàn)很多老師在講課時都是以PPT為主，板書較少，其他形式的教學(xué)輔助手段也不常使用。而土木工程材料與是一門集理論、實驗、實踐為一體的課程，與工程實際結(jié)合緊密，傳統(tǒng)的教學(xué)模式不能夠全面反映材料的技術(shù)性質(zhì)和實際應(yīng)用。同時，開設(shè)《土木工程材料》課程的專業(yè)較多，學(xué)生的預(yù)備知識、專業(yè)基礎(chǔ)以及培養(yǎng)要求各不相同，比如，道路工程專業(yè)應(yīng)將瀝青及瀝青混合料作為重點，而對港行專業(yè)來講，水泥比瀝青更為重要。但是目前極少有高校根據(jù)不同的專業(yè)培養(yǎng)方案制定相對應(yīng)的教學(xué)大綱，造成教師們在講課的時候，不注重專業(yè)差別，側(cè)重點不明顯，教師和學(xué)生互動少，學(xué)生難以將課程知識與自己的專業(yè)聯(lián)系起來，學(xué)習(xí)興趣較低。

2.2 理論教學(xué)與實踐教學(xué)脫節(jié)

理論性強、實踐性強是土木工程材料課程的一個主要特點，課程劃分為理論課和實踐課程兩部分，然而當(dāng)前許多高校土木工程材料的課程安排很不科學(xué)，重理論輕實踐的現(xiàn)象較為普遍，過分重視理論知識的講解，忽視實踐課程對于學(xué)生學(xué)習(xí)的重要性。就筆者所在的長沙理工大學(xué)而言，土木工程材料分為必修課和選修課兩種，選修課總共只有32個學(xué)時，其中理論學(xué)時26個，實驗學(xué)時6個，導(dǎo)致理論知識和實驗內(nèi)容不能系統(tǒng)地講解完全，結(jié)課時學(xué)生只能對土木工程材料有非常淺顯抽象的了解。必修課理論學(xué)時40個，與實驗課分開開設(shè)，雖然學(xué)時比選修課多，但存在的問題是理論課與實驗課沒有很好的對接，經(jīng)常出現(xiàn)理論課全部講完了，實驗課還沒有開始，所以理論課中講到實驗時，學(xué)生們?nèi)狈χ庇^認識。理論教學(xué)與實踐教學(xué)脫節(jié)嚴(yán)重影響了教學(xué)效果，不能滿足新工科提出的培養(yǎng)卓越工程人才的要求，是一個亟待解決的問題。

2.3 課程教學(xué)大綱缺乏專業(yè)針對性

如前所述，高校里開設(shè)土木工程材料課程的專業(yè)眾多，而承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的老師則集中在同一個院系，教學(xué)大綱也由承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的院系統(tǒng)一制定，沒有考慮不同專業(yè)對人才的培養(yǎng)需求。土木工程材料課程知識體系較固定，但是穩(wěn)定的教學(xué)框架適應(yīng)性較差，因此有必要根據(jù)專業(yè)需求修訂教學(xué)大綱。

2.4 教材內(nèi)容更新慢

材料的發(fā)展日新月異，各種新型功能材料也不斷出現(xiàn)，而土木工程材料教材仍停留在介紹基本理論知識的階段，并且仍沿用了20世紀(jì)末調(diào)整后的內(nèi)容，對新標(biāo)準(zhǔn)和新規(guī)范的更新不及時，所涉及到的實驗方法也比較陳舊。教材內(nèi)容狹窄很不上形式，導(dǎo)致學(xué)生們知識面較窄，對新材料、新標(biāo)準(zhǔn)了解較少，不能很好地將理論知識與當(dāng)下的工程實際結(jié)合起來。

3? 教學(xué)改革的主要內(nèi)容

3.1 優(yōu)化課程內(nèi)容，豐富教學(xué)手段

教育應(yīng)當(dāng)與時俱進，通過教育與技術(shù)的結(jié)合來創(chuàng)新教學(xué)模式，采取慕課、小規(guī)模在線課程、翻轉(zhuǎn)課堂等新型小學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，通過視頻和動畫來充實課件，尤其是引入一些工程實例，讓學(xué)生們能將課堂理論與實踐聯(lián)系起來，激發(fā)聽課興趣。

借助實物來講授課堂知識。條件允許時，教師可以將材料帶到課堂，讓學(xué)生近距離真實地觀察這些材料，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比如講到石灰的熟化、陳伏時，學(xué)生經(jīng)常把兩個過程混淆，而這個實驗又是簡單易行的，因此教師可將石灰、水、溫度計、攪拌棒和燒杯帶入教室，現(xiàn)場給學(xué)生演示石灰在熟化工程中的升溫。

3.2 理論與實踐課程穿插進行

為了能使學(xué)生很好地將土木工程理論知識與工程應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，在教學(xué)中應(yīng)重視理論與實踐課程的合理安排，避免理論與實踐脫節(jié)。將理論課與實踐課穿插進行，通過實踐來鞏固理論知識。例如，在集料的級配部分有理論三參數(shù)的知識點，即分計篩余百分率、累計篩余百分率和通過百分率，僅僅通過課堂講解概念和計算方法很難讓學(xué)生們牢牢掌握，對于這種情況，教師可以將課堂搬到實驗室，先利用一個學(xué)時講解概念，緊接著通過實驗來強化學(xué)習(xí)內(nèi)容。土木工程材料課程中有很多實驗部分，如果能與理論合理對接，將大大提高教學(xué)效果。

3.3 梳理教學(xué)大綱，有的放矢

由于開設(shè)土木工程材料課程的專業(yè)拓寬，學(xué)時減少，現(xiàn)有的教學(xué)大綱已經(jīng)不能適應(yīng)需要，因此必須對大綱進行修訂，適當(dāng)增刪部分內(nèi)容，提高大綱的先進性和適應(yīng)性。比如對道路與鐵道工程專業(yè)，應(yīng)將瀝青與瀝青混合料作為重點，增加相關(guān)理論以及實踐內(nèi)容，使學(xué)生深入了解路面瀝青的技術(shù)性能、路用性能以及瀝青路面的研究與發(fā)展現(xiàn)狀;對港行專業(yè)，應(yīng)增加水泥部分的內(nèi)容，重點講解水泥種類在實際工程中的適用性，例如大體積混凝土工程不能使用水化熱高的水泥、有抗?jié)B要求的工程不能使用礦渣硅酸鹽水泥、港口工程需要使用抗腐蝕性好的水泥等。針對專業(yè)需求修訂大綱，做到有的放矢。

3.4 追蹤前沿，鼓勵學(xué)生參與

使學(xué)生在掌握基本理論知識的同時，了解土木工程材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，適應(yīng)新工科提出的：理念新——應(yīng)對變化，塑造未來;要求新——培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才;途徑新——繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享。因此必須優(yōu)化課程內(nèi)容，精心組織教學(xué)內(nèi)容，選擇有代表性的新材料、新技術(shù)以及新的研究成果介紹給學(xué)生，也可以將教師自身的科研成果引入到課堂教學(xué)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

此外，鼓勵學(xué)生以多種形式參與到教學(xué)活動中來，使傳統(tǒng)教學(xué)模式中的單向輸出變?yōu)殡p向交流。比如，可將學(xué)生分組，每組學(xué)生選取一種或幾種感興趣的土木工程材料為主題，查閱文獻，了解材料的基本性能、使用歷史、發(fā)展過程以及最新的研究動態(tài)，對文獻進行歸納整體做成PPT在課堂上進行講解，并設(shè)置互動環(huán)節(jié)回答學(xué)生提出的問題。通過這一過程，不但可以培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻、總結(jié)歸納、公開演講的能力，更加深了他們對主體土木工程材料的學(xué)習(xí)和了解。

3.5 改進課程考核方式

土木工程材料課程考核方式分為平時成績30%和期末考試成績70%，但是平時成績的評價標(biāo)準(zhǔn)不明確，隨意性比較大，期末考試成績的占比較高，使學(xué)生在課程學(xué)期期間只關(guān)注可能會考到的知識點而死記硬背，知識掌握不牢固，不能學(xué)以致用，更談不上創(chuàng)新。基于此，對考核方式進行了改革，改為平時成績40%，包括平時作業(yè)10%、課堂表現(xiàn)10%、小組討論及演示20%，期末成績占比60%。通過平時成績和小組討論，教師能及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，及時解決?？己朔绞降母倪M也提高了學(xué)生在課程中的參與度，提高了學(xué)習(xí)積極性和主動性。

4? 結(jié)語

新工科反映了未來工程教育的形態(tài)， 是與時俱進的創(chuàng)新型工程教育方案， 需要新的建設(shè)途徑。必須通過人才培養(yǎng)理念的升華、體制機制的改革以及培養(yǎng)模式的創(chuàng)新應(yīng)對現(xiàn)代社會的快速變化和未來不確定的變革挑戰(zhàn)。交叉與融合是工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的著力點。

土木工程材料課程具有涉及面廣、多學(xué)科交叉與融合、教學(xué)內(nèi)容需緊跟科技發(fā)展的特點，筆者緊扣新工科要求，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、理論與實踐相結(jié)合、修訂教學(xué)大綱、鼓勵創(chuàng)新、改進考核方法等方面著手構(gòu)建了新的教學(xué)方法和教學(xué)體系，并在過去幾年的教學(xué)中進行了實施，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及參與度明顯提高，養(yǎng)成了良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣并培養(yǎng)了創(chuàng)新能力，平時作業(yè)以及課堂表現(xiàn)顯著改善，成績有了大幅度提高，教學(xué)效果良好。

參考文獻

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[3] 劉秀偉，汪權(quán)明，楊林.CDIO教學(xué)模式在《土木工程材料》課程中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2018（21）：167-169.